电池寿命：电动汽车电池可以使用多长时间？

如今，电动汽车已成为大街上的普遍景象，许多人开始享受安静的舒适感，习惯于在夜间充电并默默地做事。

宝马i3在加利福尼亚州EV充电站的照片，由CleanTechnica的Kyle Field设计。

日产LEAF的辛西娅·沙汉（Cynthia Shahan）正在审查CleanTechnica的问题，作者是辛西娅·沙汉（Cynthia Shahan）。

电动汽车足以令人怀疑，它们能持续多久？这不是一个简单的问题，因为它取决于化学性质，尺寸，操作条件和包装配置。

大多数电动汽车电池都是基于锂的。锂电池一次充放电时，称为循环。锂电池容量随着循环次数的增加而降低。电池循环寿命以循环为单位进行测量，业界标准的循环至80％的容量通常用作基准。是什么使锂电池能长时间使用？让我们颠倒过来。什么会缩短锂电池寿命？

高温高充电或高电压深放电或低电压高放电或充电电流

高温下过度充电是什么意思？给锂电池充电时，其电压会缓慢上升。当电池充满电时，电池电压最高，不会再升高很多。最大电压（V）随锂电池化学性质而变化。从笔记本电脑电池到使用锂钴混合物以及含锰，镍和铝的混合物的电动工具，其化学物质的端电压约为3.9V至4.2V。钛酸锂电池充电至2.85V。磷酸铁锂电池充电至约3.65V。

必须防止锂电池电压超过该电压，因为它不仅会破坏电池寿命，而且还会损坏电池。它会导致电池损坏或过热，并在某些锂电池中起火。电池管理系统（BMS）用于控制充电电压，以便永远不会超过最大充电电压和温度。

高电压还会导致另一个限制，称为日历寿命。当异物堆积时，它会阻止离子在电极上流动。锂离子电池包含电极，导体，电流通过电极进入或离开电池。在电极之间是电解质，一种用于在电池之间传导电流的溶液。通过电极之间和电解质之间的离子交换来实现导电。电池内的化学相互作用称为氧化还原反应。

当含锂的电解质与电极接触时，它形成一层。电极与电解质之间发生离子交换的界面称为固体电解质界面（SEI），这形成了SEI层。

在日历寿命结束时，材料的堆积会阻止离子在SEI层流动。

SEI层有助于内部电阻。随着电池的老化，层数增加，内部电阻增加。在某个时候，该层变得足够大，以至于没有离子可以通过并且电池寿命结束。电池在最大电压和高温下保持的时间越长，这种电池寿命极限就越糟。这里的想法是避免长时间内出现最大电压和高温。电池制造商已意识到这一点，并将其电池电量保持在40％的低电量状态，以在存储和运输过程中保持电池容量。

为了延长电池寿命，必须避免过电压和高温。

在电池电压和充电的另一端，为了最大程度地延长循环寿命，必须避免深度放电。

电池中的电量级别有两种描述。一种描述称为充电状态（SoC）。如果电池已充满电，则称其为100％SoC。另一个描述是放电深度（DoD）。如果电池已完全放电，则称其为100％DoD。这意味着100％SoC单元与0％DoD相同。SoC就像电量计一样工作。

为了最大程度地延长电池寿命，必须避免100％DoD。研究人员发现，随着放电深度的减小，循环寿命的改善呈非线性增长。

DeVries，Nguyen和Op Het Veld写道：“数据表明，DoD的循环寿命与幂律成反比关系，因此从100％到50％的DoD可获得四倍的寿命增长。”

这是循环寿命与放电深度的关系曲线：

循环寿命的提高快于DoD降低的速度，因此，在较低的放电深度下，转移的总电荷更大。

这是很重要的，因为这意味着与在完全放电深度下使用的容量较小的电池相比，在低于完全放电的情况下使用较大的电池可能更经济，并且使用寿命更长。

如果将电池组设计为可提供长距离的容量，则日常充电很可能在低深度进行。这对电动汽车设计的影响很重要。这意味着对于给定的电池化学性质，通往长距离，高容量的路线还可能导致较低的放电深度和更长的使用寿命。此外，如果在大多数操作期间有意限制最大充电量，则可以延长电池日历寿命。

最后，电池的特征在于C率。简而言之，将以安培小时为单位指定电池。安培小时是电池在一小时内可消耗的电流量。

C速率以C为单位定义，其中1C表示电池可以在一小时内充电。如果电池在2C下充电，则意味着电池可能会在半小时内充电。高C速率电池可以快速充电或放电，并产生大量电能。低速充电电池的电量较低。

对于给定化学类型的锂电池，可以进行修改以提高或降低C。要权衡的是，对于较低的C或功率，单位为kWh的能量容量较高。在电池组中，更多并联的电池会降低每个电池的峰值电流，并使每个电池以较低的C速率工作。在电动汽车应用中，具有更多并联电池（因此，能量容量更大）或更少并联电池和更高C率的电池组可以达到所需的峰值电池组电流。对于并联电池，低碳电池可以保持在其C极限以内。

这对电动汽车的影响是，适合长距离行驶的电池组可以具有较低的C率和较高的能量容量。

超过C速率会导致阳极变化，从而降低性能。正确的电极操作取决于电极表面结构。如果超过C速率，则将更改该结构。

当电动汽车电池的大小适合长距离行驶时，会产生许多好处。容量更大的电池会导致平均放电深度降低，因此循环寿命更长，峰值充电/放电速率也会更低。如果在日常行驶条件下将最大充电限制为80％，则应避免使用最大电压。如果还对电池组进行热控制，则应避免最大电压和高温。这样，受控条件可以大大增加电池寿命。

如果设计合理，则可以设计具有大容量电池的电动汽车，以控制影响电池寿命的条件，从而使长途汽车具有更长的电池寿命。

现在，我们有现实证据表明，以这种方式控制条件可以延长电池寿命。Tesla Roadster通过控制列出的所有四个因素来实现锂钴电池的长电池寿命：温度，最大电压或充满电，最小电压或放电深度以及C率。粗略分析基于100％放电循环的电动汽车行驶里程会产生错误的结果，因为它没有考虑减小放电深度的影响。续航里程超过200英里，平均每天行驶约30英里，从而延长了自行车的使用寿命和行驶里程。每日充电默认为80％，限制最大电压并延长日历寿命。通过控制电池组温度并在短时间内限制最大充电量，可以延长日历寿命，因为充满电后会立即跳闸。由于电池组的电流容量相对于充电和放电速率而言较大，因此可以降低和控制C速率。所有这些受控条件有助于延长电池寿命和行驶里程。

特斯拉跑车的特斯拉跑车。

从上面链接的文章中：

“显然，没有人确切知道特斯拉包装能持续多久。不过，数学有点简单。锂离子电池的满容量应该可以连续使用300到500个循环。因此，如果您在300 194英里的标准模式下驾驶Roadster，则可以转化为58,200英里。如果是500次循环，一组电池97,000英里的声音如何？

“当然，正如巴特尔大学解释的那样，这并不那么简单。在100％的放电深度下经过300到500个循环后，锂离子电池的容量将下降到70％。但是局部放电“可减轻压力并延长电池寿命。”与经常插电的电动汽车一样，将电池的耗电量始终减少到仅50％，健康电池的预期寿命可延长至1,200至1,500个循环。当然，这可以转换为366,000英里，但是不要期望里程表上有类似的数字。其他通配符（例如快速充电的频率）也会影响电池寿命。

由于Model S中使用的NCA电池具有更好的特性，因此可能具有更长的电池寿命性能。